涌山矿首采层选择及其区域防突技术实践

廖文德，邹云辉，钟勇林

（1.江西省煤炭工业科学研究所，江西 南昌 330029；2.江西省矿山安全工程技术研究中心，江西 南昌 330029）

首采层是指在某一区域被选作保护层的煤层中，最先被安排开采的煤层。由于首采层仍可能具有动力显现特点，且首采层开采过程中，其邻近层的瓦斯将通过开采裂隙大量渗入首采层采动空间，因此如何合理选择首采层、如何选择和实施区域防突措施、防治瓦斯积聚措施等，在开采首采层的过程中显得极为重要。

涌山煤矿为煤与瓦斯突出矿井，主要含煤地层为上三迭统安源组，煤系地层厚300～1000m，含多层泥岩、粉砂岩，透气性差，瓦斯赋存良好。含煤18 层，可采煤层总厚度为27.4 m，其中一、二、三、五、六1、七、八1煤为主采煤层。煤层特征是层数多，松散易碎，多呈粉末状，煤层结构复杂，厚度变化大，倾角为45°～85°，煤的变质程度高，煤类为无烟煤。

1 首采层选择合理性分析

1.1 开采保护层作用机理

突出煤层群在保护层先采以后，在其上、下的煤层发生变形、位移、卸压（地应力减小）、透气性增大、瓦斯得到排放、瓦斯压力与瓦斯含量下降，煤体变硬等，可使邻近的突出煤层丧失突出危险。其中卸压作用是首要的、起决定性的因素，是引起其它因素变化的依据。

1.2 首采层优选指标

1.2.1 煤层的突出危险性

保护层应优选无煤与瓦斯突出危险或者煤与瓦斯突出危险相对较小（突出次数少、突出强度小）的煤（岩）层。矿区范围无以上条件煤（岩）层情况下，可选定开采过程中能最有效落实区域防突措施的煤（岩）层作为保护层，要求开采保护层后能确保被保护层得到最大范围的保护。

（1）突出类型分析

根据统计数据，涌山矿突出类型：突出占38.4%左右；倾出占42.4%左右；压出占19.2%左右。各煤层情况不尽相同。

突出次数：五煤（19次）＞八1煤（18次）＞六煤（14次）＞八2煤（3次）＞七煤（2次）≥三煤（2次）＞二煤（1次）≥四煤（1次）＞一煤（0次）。

倾出次数：八1煤（21次）＞五煤（11次）＞六煤（6次）≥二煤（6次）≥一煤（6次）≥三煤（6次）＞八2煤（2次）≥七煤（2次）＞四煤（0次）。

压出次数：五煤（10次）＞三煤（8次）＞六煤（4次）＞一煤（2次）＞八1煤（1 次）≥二 煤（1 次）≥四 煤（1 次）＞八2煤（0次）≥七煤（0次）。

（2）突出次数分析

根据统计数据，涌山矿各煤层突出次数（含突出、倾出、压出）排序情况为：

八1煤（40次）≥五煤（40次）＞六煤（24次）＞三煤（16次）＞二煤（8 次）≥一 煤（8 次）＞八2煤（5 次）≥七 煤（4次）＞四煤（2次）。

（3）最大突出强度分析

根据统计数据，涌山桥矿区各煤层最大突出强度排序情况为：

八1煤（8600t）＞五煤（300t）＞六煤（1047t）＞七煤（390t）＞三煤（150t）≥四煤（150t）＞一煤（70t）＞二煤（50t）＞八2煤（15t）。

综合以上分析，涌山矿保护层的优选顺序：为四煤→七煤→八2煤→一煤→二煤→三煤→六煤→八1煤→五煤。

1.2.2 煤层相对间距

相关研究表明〔1〕：开采保护层的保护作用呈现一定规律性，煤层倾角和相对间距是决定保护层缷压效果的关键因素。

（1）保护作用随保护层与被保护层相对间距变小而加强；随相对间距增大而减小，达到某一临界值后，将失去保护作用。

（2）当煤层相对间距相等时，下保护层的保护作用随煤（岩）层倾角增大而减小。

（3）当煤层相对间距相等时，上保护层的保护作用随煤（岩）层倾角增大而增大。

（4）保护层与被保护层间存在关键层（如砂岩、石灰岩、石英砂岩等）时，保护层的保护效果降低。

（5）如果被保护层的缷压充分，其保护作用是不可逆的，不会随时间的延长而消失。

综上所述，相关研究机构提出了保护层分类指标——相对当量层间距R：

式中：R 为相对当量层间距；S为层间垂距，m；M 为保护层厚度，m；M0为保护层最小有效开采厚度，m，由图1确定；β1为保护层采高影响系数，M＜M0时，β1=M／M0，M＞M0时，β1=1；β2为关键层含量系数，由式（4）计算；βα为地层倾角系数；R0为相对间距；α为煤层倾角（°）；K 为顶板管理方法系数，全部冒落法取1，充填法取0.2，其他顶板管理方法取0.6。

图1中，当工作面长度L 大于0.3 H（开采深度）时，取L=0.3H，原则上，L≤250m。

图1 M0与保护层回采参数关系

式中：η表示保护层与被保护层间关键层所占百分比，%；关键层含量系数β2主要体现了关键层对层间的岩层移动、变形的影响程度。

由式1、式2计算的相对当量层间距可作为保护层选定指标，其结果可准确直观体现保护层的缷压、保护效果，从而为煤矿确定保护层类型提供依据。

1.3 涌山煤矿首采层的选定

根据涌山煤矿煤系地质柱状图，将保护层工作面回采参数和煤层赋存条件、关键层含量系数等代入式（1）或式（2）计算相对当量层间距，计算得其相对当量层间距均小于20m，为近～中距离保护层或近距离保护层。

涌山煤矿32采区五煤层为瓦斯含量大的厚煤层，为提高其透气性，选择开采其下部24m 的四煤层下向卸压，在四煤层开采后，再开采五煤上部20m 的六煤层下向对五煤卸压。

2 首采层区域防突措施

2.1 首采层区域性预抽瓦斯技术

首采层工作面开采期间的瓦斯主要来于本层、采空区和邻近层的卸压瓦斯。瓦斯大量汇集到随工作面的推进而移动的采动裂隙“O”形圈内，只要将采动裂隙“O”形圈内的集聚瓦斯大量抽采出来，就可以保证工作面的高效安全推进〔2〕。

首采层为煤层群中首先开采的煤层，没有保护层可供选择。当首采层为突出煤层时，必须对原始煤体进行预抽消突。原始煤体预抽是目前主要的消突方法，分为穿层钻孔预抽区段煤层瓦斯、穿层钻孔预抽条带煤层瓦斯和顺层钻孔预抽条带煤层瓦斯。

根据对各种抽采方法的优缺点分析，同时充分考虑四煤层的赋存条件、瓦斯条件及其突出危险性等因素，本次试验主要采用“穿层钻孔抽采区段煤层瓦斯”的区域防突措施。

2.2 巷道布置

32402顶板抽采巷标高-340m，布置在四煤顶板处，抽采巷设计长度为345m、开切上山40m、走向长度为365 m（见图2）。

图2 32402采掘巷道布置

2.3 抽采范围及抽采钻孔布置

32402工作面抽采范围见图3，其抽采钻场、钻孔布置见图4与图5。

图3 32402工作面预抽范围布置

图4 32402工作面抽采钻场布置

图5 32402顶板抽采巷钻场布置布置

3 首采层区域防突措施效果考察

3.1 原始煤层瓦斯含量

项目组分别在32402顶板抽采巷、32602 机巷、32502底板巷等地点取得四煤、五煤、六煤的煤样测定煤层瓦斯含量〔3〕，计算结果见表1。

表1 煤层原始瓦斯含量直接法测定结果

根据以上测定结果，涌山煤矿32402采面四煤原始煤层瓦斯含量为7.11m3／t，32502采面五煤原始煤层瓦斯含量为12.1 m3／t，32602 采面六煤原始煤层瓦斯含量为10.3m3／t。

3.2 区域措施后残余瓦斯含量

区域措施实施后，项目组在32 采区-330 m 标高32402顶板巷向四煤层布置5个检验测试点测定煤层残余瓦斯含量，测定结果见表2。

表2 32402煤层残余瓦斯含量直接法测定结果

3.3 考察结论

比较表1和表2可知，首采层—32402工作面（四煤）在采用“穿层钻孔预抽区段煤层”区域措施后，其残余瓦斯含量为3.75 m3／t，为原始瓦斯含量的52.7%，小于8.0 m3／t（《防治煤与瓦斯突出规定》规定的煤与瓦斯突出危险性指标临界值），区域防突措施达到了预期效果。

〔1〕刘洪永，程远平，等.保护层的分类及判定方法研究，国家重点基础研究发展计划（973）项目，国家自然科学基金重点项目，2009.

〔2〕袁 亮.松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术〔M〕.北京：煤炭工业出版社，2004.

〔3〕中华人民共和国安全生产行业标准.煤层瓦斯含量井下直接测定方法.AQ1066-2008.国家安全生产监督管理总局发布，2008.

〔4〕中华人民共和国安全生产行业标准.煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法.AQ／T1047-2007.国家安全生产监督管理总局发布，2008.

〔5〕中华人民共和国安全生产行业标准.保护层开采技术规范.AQ1050-2008.国家安全生产监督管理总局发布，2008.